Учёным из Университета Мэриленда удалось создать первый в мире программируемый и перепрограммируемый квантовый компьютер.
Учёные много лет шли к этой цели, ведь квантовые компьютеры могут решить множество проблем, с которыми не справляются компьютеры традиционные, информация внутри которых передаётся при помощи электрического напряжения.
Теоретически квантовый компьютер способен одновременно производить столько вычислений, число которых даже сложно себе представить. Но начинать учёным всегда приходится с малого.
Квантовые компьютеры удавалось создать и ранее, но достижение исследователей из Мэриленда заключается в том, что теперь компьютер можно перепрограммировать, не внося при этом изменений в его физическую архитектуру.
Результаты своих исследований учёные опубликовали в престижном журнале Nature. Руководил разработкой компьютера доктор Шантану Дебнат. Устройство представляет собой набор из пяти взаимосвязанных кубитов (квантовых бит информации) на базе ионов иттербия.
Иттербий является одним из наиболее изученных элементов, подходящих для использования в такого рода проектах.
Каждый кубит совмещает в себе роли ячейки памяти и вычислительного модуля. Он может одновременно хранить в себе логический ноль и единицу, благодаря законам квантовой физики.
Объединить кубиты между собой удалось при помощи лазеров и магнитных полей.
Учёные расположили пять кубитов в форме пентаграммы, а затем начали управлять ими с помощью обычного компьютера, создавая между ними новые связи и разрушая старые.
Было написано специальное программное обеспечение, которое трансформирует любые математические алгоритмы в понятные квантовому компьютеру инструкции.
В ходе экспериментов на созданном квантовом компьютере были запущены алгоритмы Дойча-Йожи, Бернштейна-Вазирани, а также алгоритм квантовых преобразований Фурье.
Учёные особенно гордятся тем, что их компьютер отличается крайне высокой надёжностью по сравнению с предыдущими попытками создать подобную вычислительную машину. Кубиты выдают ошибку лишь в 2% случаев, что является большим достижением.
В россии разработан уникальный пятикубитовый квантовый компьютер. ibm сомневалась в возможностях россиян
Техника
05 Апреля 2021 09:40 05 Апр 2021 09:40 |
Российские ученые создали первую отечественную пятикубитную интегральную схему для квантовых вычислений.
Над ней работали специалисты МФТИ, и это полноценный российский прототип квантового процессора, который может использоваться в квантовом машинном обучении. Глава IBM Арвинд Кришна в начале 2020 г.
открыто выразил сомнение, что Россия способна сделать прорыв в области квантовых вычислений.
В России разработана первая интегральная схема на базе пяти сверхпроводниковых кубитов в держателе. Ее создали специалисты Московского физико-технического института (МФТИ) в Лаборатории искусственных квантовых систем (ЛИКС), и, как сообщили CNews представители вуза, эту разработку можно считать прототипом квантового процессора.
Разработчики этой многокубитовой системы в своем официальном сообщении утверждают, что она уникальна и полностью управляема. С их слов, даже на нынешней стадии разработки она может применяться в квантовом машинном обучении – отдельной области науки на пересечении квантовой физики и современных технологий обработки информации.
Созданная в лаборатории МФТИ, интегральная схема была изготовлена при участии сотрудников Центра коллективного пользования (ЦКП) (еще одно подразделение МФТИ). На момент публикации материала она прошла ряд испытаний, которые показали, что все ее элементы работают именно с теми параметрами, на которые рассчитывали разработчики.
Шесть лет работы
Первый российский кубит, по словам научного сотрудника ЛИКС Алексея Болгара, был получен шесть лет назад, в 2015 г. непосредственно в этой лаборатории. С его слов, после этого сотрудники лаборатории и ЦКП продолжили работу в данном направлении.
«Все эти годы сотрудники ЦКП МФТИ и лаборатории трудились над улучшением технологии изготовления сверхпроводящих квантовых структур с различной архитектурой. В результате сейчас мы имеем технологию, которая уже достаточно надежна для создания многокубитных вычислительных устройств.
Созданная нами интегральная квантовая схема, в отличие от ранее разработанных в России прототипов, позволяет полностью контролировать состояние всех пяти кубитов. Такие интегральные схемы и необходимы для создания универсального квантового компьютера на сверхпроводящих кубитах.
Это большой технологический успех», – отметил Алексей Болгар.
Для дальнейшего развития интегральных схем МФТИ требуется модернизация его лабораторий
Представители МФТИ отметили, что создание российской многокубитовой интегральной схемы стало возможным благодаря четырем факторам, и первый среди них – это значительное улучшение контроля геометрических и электрических параметров туннельных контактов. По словам представителей вуза, эти контакты можно считать «сердцем» сверхпроводящих кубитов, поскольку от качества и воспроизводимости их изготовления напрямую зависит работоспособность всей квантовой схемы.
Второй фактор заключается в наладке технологии изготовления микроволновых резонаторов, добротность которых в однофотонном режиме составляет сотни тысяч. Это тоже очень важная часть квантовых интегральных схем – они нужны для считывания квантового состояния кубитов.
Третий фактор – отладка процесса изготовления «навесных мостиков» (air bridge), необходимых для подавления паразитных резонансных модов, что положительно сказывается на добротности структур. Но самой важной составляющей, позволившей специалистам МФТИ создать многокубитовую схема, по их мнению, является накопленный ими за последние несколько лет опыт в этой сфере.
Планы на будущее
В МФТИ не уточняют, когда именно начнется эра российских квантовых компьютеров, как и не раскрывают свои дальнейшие планы по разработке новых многокубитовых интегральных схем и их внедрению.
По словам Алексея Болгара, принимавшего непосредственное участие в разработке пятикубитовой схемы, Для каких-либо дальнейших действий в этой сфере необходимо модернизировать как ЦКП, так и лабораторию ИКС в составе МФТИ.
«Наши текущие результаты говорят о том, что технологические и измерительные возможности ЦКП и нашей лаборатории позволяют отработать и выполнить все этапы, необходимые для создания элементов квантовых процессоров, от технологических чертежей до интегральной квантовой схемы на чипе и ее измерений. Однако дальнейшее развитие работ по созданию управляемых элементов квантового компьютера и самого компьютера потребует модернизации “чистой зоны” ЦКП и дополнительного оснащения лаборатории современным исследовательским оборудованием», – отметил Алексей Болгар.
IBM сомневалась в успехах России
Компания IBM в лице своего генерального директора Арвинда Кришны (Arvind Krishna) выказывала сомнения в возможностях России создать собственный квантовый компьютер. В конце февраля 2020 г.
Кришна, возглавивший IBM в апреле 2020 г., заявил, что IBM опережает другие страны «на десятилетия, а то и больше».
На момент этого заявления Кришна, как сообщал CNews, занимал пост старшего вице-президента IBM по облачным и когнитивным решениям.
Революция в DLP: как ИИ защищает конфиденциальные данные от утечек?
Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем
Пару лет назад, во время пресс-конференции в канадском Институте теоретической физики в Ватерлоо, один из журналистов решил подшутить над канадским премьер-министром Джастином Трюдо, спросив его о квантовых компьютерах.
Трюдо, нимало не смутившись, в двух словах объяснил принцип работы этих устройств, что сделало его в глазах прогрессивной общественности настоящей звездой.
Почему именно этот вопрос журналист посчитал наиболее каверзным? Действительно ли можно разобраться в том, что такое квантовые вычисления и квантовая механика, не будучи специалистом? Не будем утверждать, что это легкая задача, но давайте попробуем. Итак, квантовый компьютер для чайников.
История создания квантового компьютера
У истоков самой идеи квантового программирования стоит человек, известный каждому, кто хоть немного интересуется физикой.
Знаменитый американский ученый и популяризатор науки Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике, предположил возможность существования квантового компьютера еще в 1981 году.
Произошло это на совместной конференции, которую организовали корпорация IBM и MIT (Массачусетский технологический институт). В то время никто еще не задумывался всерьез о реализации этой идеи на практике. Даже в теории она казалась весьма непростой.
Квантовая механика, в отличие от классической, которую все мы изучали в школе, описывает явления не на уровне тел, а на уровне атомов, электронов, фотонов и прочих элементарных частиц. И квантовые эффекты, которые предполагалось использовать, создавая первый квантовый компьютер, проявляются в микроскопических масштабах.
Переместиться на микроуровень в поисках новых возможностей ученых заставили физические основы, на которых базируется традиционная вычислительная техника. Схема ее работы основана на транзисторах, в каждом современном компьютере их миллионы или даже миллиарды.
Каждый из них может в определенный момент времени находиться в «открытом» или «закрытом» состоянии — как электрический переключатель. Эти два состояния и представляют собой те самые нули и единицы, с помощью которых человек общается с компьютером (и наоборот).
По мере развития технологий производители размещают на процессорах компьютеров все большее и большее количество транзисторов. Это увеличивает скорость работы и вычислительные возможности техники. Но всему есть физический предел, и мы вплотную к нему приблизились.
Если раньше вычислительная мощность производимых процессоров удваивалась примерно каждые два года, то сегодня этот темп падает на глазах. В то же время потребности человечества в вычислениях постоянно растут, опережая развитие электроники.
Но вернемся к Ричарду Фейнману и его теории. Основное отличие квантового компьютера от обычного заключается в представлении информации в его процессоре.
Единица информации в обычном компьютере — бит, представляющий собой ноль или единицу. Третьего не дано. Единица хранения информации для квантового компьютера — квантовый бит, или, сокращенно, кубит.
Это квантовый объект — вещь, которую гораздо проще описать, чем представить.
Что такое кубиты для квантовых компьютеров
Итак, если бит — это одна из двух условных точек (1 или 0), то кубит можно представить себе в виде сферы с полюсами в этих же точках — 1 и 0. Кубит также может принимать значение 1 или 0. Но кроме них он может находиться в состоянии суперпозиции, то есть иметь любое из возможных значений, лежащих на поверхности сферы. И все это — одновременно.
Но что именно расположено на поверхности сферы? Может быть, кубит имеет переменное (плавающее) значение? В некотором смысле это так, но трудность в том, что невозможно узнать это значение для конкретного момента времени, как это делается для обычных переменных. Если выразиться максимально простым языком, кубит похож на магический шар. Если этому шару задать вопрос, то ответом может быть единица или ноль. Но выпадут они с разной вероятностью. Именно вероятности выпадения значений «хранятся» в суперпозиции.
Рука об руку с принципом суперпозиции работает эффект квантовой зацепленности. Две взаимосвязанные квантовые частицы синхронно изменяют свое состояние, даже если между ними миллионы световых лет. Зацепленность дает возможность собирать кубиты в «наборы».
Если в наборе из двух бит можно хранить одну определенную последовательность из двух значений (нулей или единиц), то набор из двух кубитов содержит суперпозицию всех возможных вариантов последовательностей из двух этих значений.
А это намного больший объем информации.
Как устроен квантовый компьютер: принцип работы
После появления понятия квантового компьютера десятки ученых всего мира пытались создать его физическое воплощение.
Главный вопрос: что может использоваться в качестве кубита? В 1994 году европейские физики Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак описали схему использования специальной ионной ловушки как основы для квантового компьютера.
Именно в этот момент стало ясно, что научная теория и практика встретились лицом к лицу.
Физические «воплощения» кубитов — это не только ионы. В этих целях ученые пытались и пытаются использовать электроны, ядра атомов, фотоны, сверхпроводящие материалы и даже искусственные наноалмазы.
Совсем недавно был разработан оптический квантовый микрочип, на основе которого теоретически может быть создан оптический компьютер, использующий манипуляцию с квантовыми состояниями света.
Две основные проблемы, которые пытаются решить конкурирующие исследовательские группы: срок жизни кубитов и их количество в системе.
Вывести квантовую систему из состояния суперпозиции очень легко. Это под силу даже единственному фотону, столкнувшемуся с кубитом. Именно поэтому вопрос, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко поднимался учеными — сложно вообразить себе квантовые вычисления в биологической среде.
Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Присутствие рядом других кубитов дополнительно сокращает этот срок. А теперь представьте, что вам необходима работающая структура из десятков, а то и сотен таких капризных частиц.
Нетривиальная задача, не правда ли?
Отдельная тема — программирование на квантовом компьютере. Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты.
В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды. Существуют разные языки программирования для квантовых систем (например QCL, Quantum computing language), но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу.
С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений.
Модель гипотетического квантового компьютера от IBM (CeBIT 2018. Ганновер, Германия)
Применение квантовых компьютеров
В том же 1994 году американский ученый Питер Шор разработал первый (из многих) квантовый алгоритм для разложения целого числа на простые множители.
Удивительно, но даже для самых мощных современных компьютеров разложить длинное (в несколько сотен цифр) число на два простых множителя — невероятная по затратам времени задача. Именно на этом строятся самые современные системы шифрования и защиты информации.
Шор же доказал, что квантовый компьютер, содержащий 1000 и более кубитов, взломает любой код буквально за секунды.
Создан первый универсальный "многоуровневый" квантовый компьютер
ТАСС, 21 июля. Австрийские физики создали первую универсальную квантовую вычислительную машину, построенную на базе кудитов, многоуровневых квантовых битов. Об этом в четверг сообщила пресс-служба Инсбрукского университета со ссылкой на статью в журнале Nature Physics.
Большинство существующих квантовых компьютеров — вычислительные машины, построенные на базе так называемых кубитов.
Так ученые называют квантовые аналоги логических битов, которые представляют собой искусственное подобие атома водорода с двумя энергетическими уровнями.
Помимо кубитов существуют и более сложные квантовые ячейки памяти, так называемые кудиты. К их числу относятся кутриты и куквадры, обладающие тремя или четырьмя уровнями.
В теории кутриты и куквадры позволяют уменьшить число частиц, необходимых для хранения и обработки данных, однако при этом ими значительно сложнее манипулировать и связывать друг с другом. Недавно российские физики создали вычислительную машину на базе двух кутритов, а также разработали несколько подходов, которые упрощают работу с такими многоуровневыми квантовыми битами.
Многоуровневый квантовый процессор
Исследователи впервые использовали кудиты на базе ионов кальция для создания универсальной квантовой вычислительной машины. В ее рамках вычисления проводятся при помощи многоуровневых квантовых ячеек памяти, построенных на базе ионов кальция. Каждый из них обладает восемью хорошо различимыми энергетическими уровнями, семь из которых физики научились использовать для проведения вычислений.
Ученые обнаружили, что свойствами этих энергетических уровней можно манипулировать, если поместить ион кальция в магнитно-электрическую ловушку и подсветить его при помощи лазера, работающего в ближней части инфракрасного диапазона.
Опираясь на эту идею, команда создала два прототипа универсального квантового компьютера, построенного на базе трех и десяти кудитов. Последующие тесты показали, что эти вычислительные машины способны исполнять все логические операции, доступные для кубитных компьютеров, причем ученые при этом могли менять число используемых энергетических уровней в отдельных кудитах.
По словам австрийских физиков, пока созданные вычислительные машины совершают много случайных ошибок при работе, однако в ближайшее время ученые планируют значительно снизить их количество. Этого, в частности, можно будет добиться, используя более мощные магниты и высокочастотные ловушки для удержания ионов кальция.
Физики создали первый программируемый квантовый компьютер
https://ria.ru/20160803/1473529337.html
Физики создали первый программируемый квантовый компьютер
Физики создали первый программируемый квантовый компьютер — РИА Новости, 03.08.2016
- Физики создали первый программируемый квантовый компьютер
- Международный коллектив ученых заявил о создании первого перепрограммируемого квантового вычислительного устройства, работу которого можно менять, не внося изменений в его физическую архитектуру.
- 2016-08-03T20:00
- 2016-08-03T20:00
- 2016-08-03T20:00
/html/head/meta[@name='og:title']/@content
/html/head/meta[@name='og:description']/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/147352/88/1473528810_0:285:807:739_1920x0_80_0_0_252da5e559f7ff62f1d72fda6297ffb2.jpg
сша
РИА Новости
- internet-group@rian.ru
- 7 495 645-6601
- ФГУП МИА «Россия сегодня»
- https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2016
РИА Новости
- internet-group@rian.ru
- 7 495 645-6601
- ФГУП МИА «Россия сегодня»
- https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
- internet-group@rian.ru
- 7 495 645-6601
- ФГУП МИА «Россия сегодня»
- https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdnn21.img.ria.ru/images/147352/88/1473528810_0:210:807:815_1920x0_80_0_0_9c9f54a7161a5e483c1f918e1c1f3d9a.jpg
РИА Новости
- internet-group@rian.ru
- 7 495 645-6601
- ФГУП МИА «Россия сегодня»
- https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
- internet-group@rian.ru
- 7 495 645-6601
- ФГУП МИА «Россия сегодня»
- https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
открытия — риа наука, сша, компьютеры
Международный коллектив ученых заявил о создании первого перепрограммируемого квантового вычислительного устройства, работу которого можно менять, не внося изменений в его физическую архитектуру.
МОСКВА, 3 авг – РИА Новости. Международный коллектив ученых заявил о создании первого перепрограммируемого квантового вычислительного устройства, работу которого можно менять, не внося изменений в его физическую архитектуру, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
«Для того, чтобы компьютер мог быть в принципе полезным для нас, его пользователь не обязан знать то, что происходит внутри него. Мало кто из владельцев «айфонов» интересуется тем, что происходит внутри их телефона на физическом уровне.
Наш эксперимент позволил высококачественным квантовым битам выйти на высокофункциональный уровень работы благодаря возможности их перенастройки на программном уровне», — заявил Кристофер Монро (Christopher Monroe) из университета штата Мэриленд (США).
Квантовый компьютер Монро и его коллег представляет собой набор из пяти связанных друг с другом кубитов на базе ионов иттербия, одного из самых популярных и хорошо изученных материалов для изготовления ячеек памяти и простейших вычислительных модулей подобных устройств.
Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря квантово-механическим эффектам и законам квантовой физики.
Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать те математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со временем жизни Вселенной.
Физики и инженеры достаточно давно научились создавать относительно стабильные кубиты, способные хранить в себе данные доли секунды или даже десятки секунд, однако объединение более двух кубитов в единое и взаимосвязанное целое оказалось более сложной задачей, чем это представляли ученые.
Монро и его коллеги решили эту проблему, объединив кубиты в своеобразную «пентаграмму» при помощи лазеров и магнитных полей. Управляя вспышками лазера и состоянием полей при помощи программы на обычном компьютере, ученые могут создавать новые связи между кубитами, «запутывая» их на квантовом уровне, и менять уже существующие, разрушая имеющиеся связи.
Это позволяет реализовать любой алгоритм, для работы которого достаточно пять кубитов.
Для решения подобной задачи команда Монро создала специальный компилятор, который «переводит» математический алгоритм в инструкции, понятные системе, управляющие работой квантового компьютера.
В качестве демонстрации авторы статьи запустили на своем компьютере алгоритмы Дойча-Йожи, Бернштейна-Вазирани, а также создали алгоритм квантовых преобразований Фурье.
По словам ученых, их разработка отличается крайне высокой надежностью – кубиты выдают правильный результат в 98% случаев и ошибаются лишь в 2% случаев. Это в принципе позволяет использовать подобные вычислительные устройства для решения практически значимых задач.
Конечно, пять кубитов хватает лишь для решения самых простых и тривиальных задач, однако, как комментирует открытие физик Стивен Бартлетт (Steven Bartlett) из университета Сиднея (Австралия), разрабатывающий полупроводниковые кубиты, это всего лишь первый прототип почти универсального квантового компьютера. Он поможет ученым понять, с какой скоростью смогут работать эти устройства, какие проблемы их ждут и решить массу других практических проблем, связанных с архитектурой таких вычислительных устройств.
Разработан первый универсальный программируемый квантовый компьютер
Американские ученые из Национального института стандартов и технологий в городе Боулдер, штат Колорадо объявили о разработке первого в мире универсального программируемого квантового компьютера, способного работать с двумя кубитами данных.
Кубит – квантовый аналог бита, однако он может содержать в себе больше информации, чем стандартная ячейка, находящаяся лишь в двух состояниях – 1 или 0.
Таким образом, квантовый компьютер лучше подходит для задач, трудновыполнимых на обычных вычислительных системах, к примеру, криптоанализа.
https://www.youtube.com/watch?v=dYSb3mS6kPc\u0026t=112s
В экспериментальном устройстве за хранение кубитов информации отвечают ионы бериллия с различным спином, в то время как лазерные импульсы позволяют совершать простые логические операции, управляя этими ионами в зависимости от производимых вычислений. Результаты данной работы считывает еще один лазер.
А в основе квантового компьютера лежит алюминиевая пластина с золотым паттерном, содержащим миниатюрную электромагнитную “ловушку” величиной всего 200 микрометров.
В данной “ловушке” ученые разместили по два иона бериллия и магния, причем, последние должны гасить нежелательные вибрации и сохранять стабильность системы.
Хотя созданный американскими исследователями квантовый компьютер может совершать бесконечное число двухкубитных операций, для демонстрации универсальности устройства физики ограничились 160 случайно выбранными программами. Для их реализации был использован 31 вид квантовых импульсов, закодированных в лазерных лучах. Каждый такой импульс нес в себе один либо два кубита информации, а каждая из программ запускалась по 900 раз.
При этом ученые признают, что созданное ими устройство пока несовершенно. К примеру, точность вычислений на квантовом компьютере достигает лишь 79 процентов, хотя аналогичный показатель каждого “оптического процессора” превышает 90 процентов.
Для промышленной же реализации квантовых вычислений уровень точности в них должен составлять около 99,99 процента.
Однако команда ученых собирается продолжить исследования в этой области, в частности, повысить стабильность работы лазеров и уменьшить число ошибок, причины которых кроются в оптической аппаратуре.
Источник новости: New Scientist
Новостная служба Ferra
Рассказываем о квантовом компьютере простыми словами
Все чаще в новостной ленте встречаются упоминания квантового компьютера. Технологию развивают ученые по всему миру. Она может стать началом нового этапа в развитии технологий. В будущем задачу, на которую у суперкомпьютера уходит несколько лет, квантовый аналог решит за пару минут. Но как работает квантовый компьютер и каковы его перспективы? Последние новости о разработке собраны в этой статье.
В первую очередь стоит определить, чем квантовые компьютеры отличаются от обычных. На привычных устройствах данные хранятся в битах, минимальной единице измерения информации. Любые данные поступают в виде двоичного кода. В случае с квантовыми компьютерами речь идет о кубитах. Аппаратам не приходится перебирать множественные варианты. Анализ производится мгновенно.
Кубиты имеют два состояния: суперпозиция и запутанность. В первом случае возможна любая линейная комбинация элементов. Запутанные кубиты в свою очередь образуют систему. Все ее составляющие взаимно влияют друг на друга. Измерив один кубит, можно сделать выводы о всех оставшихся. Это в разы повышает скорость вычисления.
Квантовый компьютер задействует принцип вероятности. Устройство мгновенно анализирует все предполагаемые сочетания. Истинным становится наиболее реалистичное решение. Чаще всего оно и оказывается лучшим выбором.
Отсюда возникает теория квантового производства. Вычислительная способность аппарата на кубитах в сотни раз превышает возможности обычного устройства.
Ученые уверены, что вскоре квантовый компьютер превзойдет даже мощнейшие суперкомпьютеры. Пока что это остается только теорией. На деле технология все еще содержит изъяны. Точность компьютеров не исключает возможные ошибки.
Исследователи работают над созданием универсального алгоритма пресечения неточностей.
Первый в мире квантовый компьютер
Создание квантового компьютера началось в 1998-м году. В первую очередь им оснастили университеты, лаборатории и центры исследований. Спустя двадцать лет IBM смогли использовать квантовый компьютер через облачную базу. Эта опция поддерживается до сих пор. Облачные вычисления имеют непосредственный доступ к процессорам. Это также ускоряет передачу данных.
Разработка может получить широкое распространение в повседневной жизни. Это решит ряд проблем в сферах здравоохранения, экономики и дешифровки. Квантовые компьютеры способны выстраивать наиболее удобные маршруты. Из всех вероятных путей устройства выбирают кратчайший. Это можно использовать для навигации и транспортировки грузов.
Устройство также ускорит вычисления в областях фармацевтики, климата, финансов и не только. Самые серьезные вопросы человечества могут получить оптимальные решения. Квантовому компьютеру под силу дешифровать самые сложные коды.
Немного о квантовых компьютерах — Научпоп на DTF
Современный квантовый компьютер ̶в̶ ̶п̶р̶е̶д̶с̶т̶а̶в̶л̶е̶н̶и̶и̶ ̶х̶у̶д̶о̶ж̶н̶и̶к̶а̶
{«id»:57174,»gtm»:null}
Нейросети сейчас у всех на слуху. Одна из причин такого быстрого и повсеместного их распространения — это сильно упавший порог вхождения. Существует огромное количество инструментов как для использования готовых и натренированных сетей, так и для создания своих собственных, причем для этого даже не требуется знать суровый матан, который прячется «под капотом» большинства таких инструментов.
Еще одной интересной и очень перспективной сферой являются квантовые вычисления, которые, тем не менее, не получили столь широкого распространения (по крайней мере, пока), как нейросети. Скорее всего, это связано с еще более сложным матаном ( и физикой), а также с чрезмерной дороговизной и сложностью «железа».
Если очень просто, то это устройство, в основе работы которого лежат явления квантовой механики. Среди этих явлений такие великолепные и ̶п̶р̶о̶с̶т̶ы̶е̶ для понимания, как:
- Квантовая суперпозиция — способность квантовой частицы находиться во всех возможных для нее состояниях сразу. Отличным примером может служить всем известный кот Шрёдингера.
- Квантовая запутанность — явление, при котором состояния двух и более квантовых частиц становятся зависимыми друг от друга. Причем изменение состояния одной частицы мгновенно сказывается на состоянии другой. То есть как бы далеко не были друг от друга эти частицы, состояние поменяется за неизмеримо малое время. Здесь в качестве примера можно взять «попсовую» и всем известную квантовую телепортацию.
- Правило Борна (закон) — ̶ ̶ш̶е̶с̶т̶а̶я̶ ̶ч̶а̶с̶т̶ь̶ ̶п̶о̶х̶о̶ж̶д̶е̶н̶и̶й̶ ̶б̶ы̶в̶ш̶е̶г̶о̶… Если вкратце и без тяжелого мат.аппарата, это закон (ну или правило), который рассчитывает вероятность получить какой-либо результат при вычислении, что помогает при работе со следующим пунктом сего списка.
- Вероятность — в квантовой механике балом правит именно эта госпожа. Любое квантовое явление не есть факт, а есть вероятность того, что оно случится. Но об этом мы еще поговорим.
Справедливости ради, квантовая телепортация не является телепортацией, известной из научной фантастики и прочего сайфая, потому что при передаче квантового состояния (а именно это и происходит) исходное состояние в точке А разрушается и воссоздается в точке Б, при этом не происходит переноса ни материи, ни энергии.
Обновление по м к статье: парадокс кота Шрёдингера был призван показать абсурдность самой идеи суперпозиции. Соответственно, пример кота — не самый лучший для иллюстрации явления суперпозиции.
Спасибо Marat Khamadeev
Преимущества прямо вытекают из самой квантовой механики:
- Высокий параллелизм — в отличие от классических компьютеров, в которых бит принимает значение либо 0, либо 1 в один момент времени, в квантовом компьютере кубит одновременно и 0, и 1, что позволяет обсчитывать все возможные комбинации параллельно и одновременно на уровне физики без всяких ухищрений с многопоточностью.
- Высокая масштабируемость и быстрый прирост производительности — при добавлении каждого следующего кубита вычислительная мощность увеличивается экспоненциально. То есть двухкубитный компьютер в 2 раза мощнее однокубитного, 3 — в 8 раз, 4 — в 16 и так далее.
Важно также отметить и недостатки, которым подвержены текущие образцы КК:
- Измерение неизбежно ведет к ошибкам, потому что любое вмешательство в квантовую систему вызывает «возмущения» (шумы), искажающие полученные данные. Стало быть, необходимо предусмотреть постобработку результатов.
- Большое количество ошибок в вычислениях, частично вытекающее из первого недостатка а частично из-за самой природы квантовых процессов (ведь мы оперируем вероятностями, а не фактами, помните?), из-за чего одни и те же вычисления следует проводить много раз (сотни и тысячи в зависимости от желаемой точности)
На самом деле, в ответе на этот вопрос кроется еще одна причина, почему же квантовые вычисления не такая популярная (с прицелом на поп) тема для общественности. Основные области, где это было бы полезно, эффективно и вообще не очень сильно сложно (с квантовой точки зрения, разумеется):
- Моделирование молекул и прочих химических и биологических процессов, являющихся квантовыми по своей природе. Например, расчет нового лекарства от рака за 500 млн долларов за дозу займет не годы, а доли секунды.
- Криптография. Во-первых, при появлении достаточно мощного КК падут почти все (если не все) классические алгоритмы шифрования, потому что большинство из них ломаются обычным перебором, а перебор — это то, что КК делает очень быстро. Квантовая же криптография позволяет построить такую зашифрованную систему, которая всегда узнает, если ее попытаются прослушать или взломать из-за лежащего в основе принципа неопределенности (Гейзенберга). То есть в данном случае недостаток измерения (вмешательства) в систему становится преимуществом.
- Эти ваши нейросеточки. КК способен моделировать нейросеть экспоненциального размера и обрабатывать огромные объемы данных практически мгновенно.
Как верно отметили некоторые в х квантовая криптография построена на несколько иных принципах и не имеет прямого отношения к квантовым же компьютерам.
Так что поиграть со включенным RTX при fps свыше 120 в 4К разрешении на КК пока что не получится, увы.
Квантовые компьютеры начали появляться с начала XXI века, но их производительность и возможности сильно ограничены. И вопреки распространенному заблуждению довольно много его составных частей представляют собой вполне себе обычную электронику, а уж для обработки результатов и вовсе нужен самый обыкновенный ПК (ну или сервер… ну или ЦОД).
Квантовый компьютер на 50 кубит, разработанный IBM Research в Цюрихе.
Окей, с железом понятно, но что с софтом?
Принцип работы с квантовым компьютером, по идее, не должен сильно отличаться от работы с компьютером классическим, но, тем не менее, стандартные инструменты из знакомой всем электроники не применимы, равно как и классическая логика и информатика.
С целью решения этой проблемы в 2017 году был описан язык промежуточного представления OpenQASM (ОпенКАЗМ) — Open Quantum Assembly Language (Открытый квантовый язык ассемблера), представляющий собой по сути аналог языка ассемблера из классической электроники.
- Ассемблер (сборщик) — это программа-преобразователь, транслирующая код программы из языка ассемблера в машинный язык, который понимает непосредственно процессор.
- Программирование под ассемблер представляет собой весьма нетривиальную задачу, так как требует от разработчика не только досконального знания архитектуры и команд процессора, но и умения работать с физической памятью.
- Большинство программистов используют языки высокого уровня, которые затем транслируются в язык ассемблера компилятором.
К счастью, авторы позаботились и о языке высокого уровня, создав на основе QASM целый фреймворк. Встречайте — Qiskit.
̶В̶а̶ш̶а̶ ̶q̶i̶s̶k̶i̶t̶ ̶к̶у̶п̶и̶л̶а̶ ̶б̶ы̶.̶.̶.̶ Логотип проекта — схематичное представление сферы Блоха (способ представления состояний кубита в виде точек на сфере).
А вот так выглядит сама сфера Блоха. «Точка на сфере по оси z вверх соответствует значению 1 классического бита, вниз — значению 0.
Qiskit содержит в себе инструменты для создания квантовых программ (цепей), состоящий из нескольких подпроектов:
- Terra позволяет создавать квантовые цепи, которые по сути и являются квантовыми программами. Квантовая цепь — это последовательность квантовых вентилей, являющихся аналогом вентилей-операторов из классической логики. Например, здесь есть аналоги логического И (умножения) и ИЛИ (сложение) с поправкой на квантовые законы. Например, самый базовый квантовый вентиль Хадамард (H) при вычислении обеспечивает одинаковую вероятность получить значение 0 и 1.
- Aqua. Проект-ретранслятор, позволяющий преобразовывать классические алгоритмы в квантовые. В настоящий момент он поддерживает ограниченный набор инструментов для работы с ИИ, химией, оптимизацией и финансами. В перспективе позволит программистам и даже просто пользователям без специальных знаний создавать квантовые алгоритмы.
- Aer. Симулятор квантового компьютера, который может быть запущен на любом обычном компьютере, но не забывайте, что добавление нового кубита требует увеличения классических вычислительных мощностей в два раза. Aer позволяет понять, насколько ничтожны «силы» вашего ПК, потому что уже при значении в 4-5 кубитов производительность падает практически до нуля, делая симуляцию очень медленной или вовсе невозможной.
- Ignis. Подпроект, работающий с «шумами». Помним о том, что любое измерение вызывает возмущения в квантовой системе и ошибки. По сути этот проект призван бороться с ошибками.
Кубит невозможно «хранить» в обычных условиях при комнатной температуре.
Соответственно, каждый кубит — крошечный и очень холодный объект, работающий при температуре, близкой к абсолютному нулю — лежит в своем собственном «холодильнике», изолированный от внешнего мира.
К сожалению, в настоящий момент не существует способов взаимодействия с кубитом без вмешательства в его хрупкую натуру, что неизбежно приводит к шумам, что, в свою очередь, ведет к ошибкам в вычислениях.
Да-да, ошибки — сквозная тема и боль любого квантового программиста настоящего и даже будущего.
Любой желающий уже может сесть и начать пробовать писать простенькие квантовые алгоритмы. Мощностей обычных домашних ПК хватит на 3-4-кубитную цепь, чего уже достаточно для осуществления квантовой телепортации.
К счастью, добрые дяди из корпорации IBM предоставляют бесплатный доступ в порядке очереди к настоящим квантовым компьютерам (до 15 кубитов) и к симулятору (до 32 кубитов). Для регистрации достаточно принять пользовательское соглашение, заполнить простенькую анкету, указав в ней Institution (например, Amateur Quantum Boy) и цель использования, свое имя и имейл.
Если совершенно не хочется (или не умеется) писать свой код, то всегда можно воспользоваться туториалами, которые любезно лежат прямо под ногами.
В качестве инструмента используются обычные Jupyter-ноутбуки, знакомые любителям языка python.
В этих «ноутбуках» текстовые описания перемежаются с готовыми кусками кода, которые выполняются прямо там, без необходимости писать или читать код где-либо еще, а затем переносить в исполняемую среду. Все лежит и запускается на месте.
В Мельбурне сегодня пробки
Единственное по-настоящему нужное в данном случае умение — это знание английского языка. Но не спеши расстраиваться, если не знаешь английский. В продолжении я подробно и со скриншотами опишу, как таки осуществить квантовую телепортацию. А для тех, кто не хочет ждать и самостоятельно пройдет базовый туториал, вот схема для телепортации:
Загрузка...
